專利名稱：一種用于踏板驅(qū)動公路車輛的電動輔助驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用踏板驅(qū)動公路車輛，特別是自行車的電動輔助驅(qū)動裝置。還涉及一種用于將標(biāo)準(zhǔn)的踏板驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱虞o助驅(qū)動車輛的配套組件。
雖然運(yùn)輸通常與發(fā)動機(jī)能力相關(guān)，但是旅客運(yùn)輸?shù)慕^大部分的承擔(dān)量需要由人力提供。僅在亞洲的自行車所運(yùn)載的人比全世界的小汽車所運(yùn)載的人還要多。
那些依賴于小汽車的國家正在為交通事故、空氣污染、噪聲、城市的擁擠、停車場問題以及燃料的消耗付出昂貴的代價。在許多國家，小汽車和其它機(jī)動車輛消耗了其石油產(chǎn)品消費(fèi)量的一半還多，并且所造成的空氣污染比其它原因都嚴(yán)重。
選擇自行車作為短距離往來的交通車輛，正出現(xiàn)在越來越多的國家。歐洲多數(shù)國家(即瑞典、瑞士、德國、荷蘭、丹麥)正在實(shí)行支持自行車的發(fā)展計劃。他們確信在城市空氣被污染到不能呼吸、交通高峰時的擁擠發(fā)展到完全停滯的地步之前，增加自行車的使用，將會控制機(jī)動交通運(yùn)輸?shù)脑鲩L速度。
對于每個使用自行車代替小汽車旅行的人來說，污染少、所用的燃料少，并且在道路上所占的空間也小。騎車消耗的每人每公里的能量比起其它形式的運(yùn)輸包括行走都少。騎車行駛16公里消耗350卡的能量，這相當(dāng)于一碗米飯中所含的能量。同樣的行程，使用一般的美國小汽車要消耗18600卡，是一加侖汽油的一多半能量。
自行車重量輕，有利于環(huán)境保護(hù)，并且具有交通的靈活性，而另一方面，騎車偶而也需要強(qiáng)迫人的體力達(dá)到一個極限，例如騎車上陡坡、在大風(fēng)中騎車等等。在這種情況下，騎車者可以使用一些輔助設(shè)備。
很顯然，一個能幫助超越人體極限的，設(shè)計良好的、電動的自行車輔助驅(qū)動裝置，將會擴(kuò)展到自行車作為運(yùn)輸車輛的使用范圍。
電動助力自行車已為公知。歐洲專利0168,905公開了一種踏板驅(qū)動公路車輛的輔助驅(qū)動裝置，它包括一個電池驅(qū)動的電動機(jī)，該電動機(jī)可以作為驅(qū)動器使用，即從電池獲取能量并將其輸出給車輛；也可以作為發(fā)電機(jī)使用，即在下坡路段借助車輛的再生制動從車輛獲取能量。
其它公知的電力輔助自行車，在歐洲稱為“機(jī)動自行車”，Hercules(德國)的“Electra”和Velectro(澳大利亞)的“Velomatic”這些自行車沒有踏板，騎車人只能借助電動機(jī)的動力行駛，所以能量消耗量大，需要一個重量大而笨的電池和一個大的電動機(jī)，這給自行車額外增加了15至20kg的重量。實(shí)際上，這些電驅(qū)動的機(jī)動自行車只是文字意義上的自行車。它們是新的電動車輛，相對比較重(30kg以上)，笨拙(不能折迭)。行駛距離短(無能量補(bǔ)充)，并且價格貴。
本發(fā)明的目的之一是，提供一種適于所有種類的自行車或其它踏板驅(qū)動車輛的、輔助而不是取代肌肉能量的電力驅(qū)動裝置，它便于人力和電力相結(jié)合，并且使其平穩(wěn)地相互作用。
本發(fā)明的另一目的是提供一個結(jié)構(gòu)緊湊的電力驅(qū)動裝置，該裝置包括一個重量輕、可使用充電電池供電的小體積、大功率的電動機(jī)。在水平路段或下坡路段時向后蹬踏板，該電動機(jī)可轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€發(fā)電機(jī)，給電池充電，并在電動機(jī)輔助驅(qū)動上山的過程中補(bǔ)償從電池中獲取的一部分能量。
本發(fā)明的這些目的是通過提供一個用于踏板驅(qū)動車輛的電力輔助驅(qū)動裝置來實(shí)現(xiàn)的。該輔助驅(qū)動裝置包括一個電動機(jī)、一個驅(qū)動該電動機(jī)的可充電的并聯(lián)蓄電池，以及控制該電機(jī)的開關(guān)元件。該電機(jī)可被選擇為第一種工作方式，即作為一個驅(qū)動器使用從所述的電池中獲取能量，再將其輸送給所述的車輛，電動機(jī)也可以用第二種方式工作，即作為發(fā)電機(jī)使用借助于踏板從所述的公路車輛的使用者那里獲取能量并將其輸出給所述的電池。本發(fā)明的驅(qū)動裝置還包括傳送裝置，當(dāng)電動機(jī)以所述的第一種方式工作時，該傳送裝置用來驅(qū)動所述的車輛，當(dāng)所述電動機(jī)以所述的第二種方式工作時，該傳送裝置使所述的使用者將回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給所述的電動機(jī)。此外，本發(fā)明的驅(qū)動裝置還包括一個位于所述傳動裝置與所述的踏板軸之間的超越離合器，當(dāng)所述的使用者通過向前蹬踏板驅(qū)動所述車輛時，所述離合器空轉(zhuǎn)；當(dāng)所述電動機(jī)用第一種方式工作，用于輔助所述的使用者時，或者當(dāng)所述的使用者向后蹬踏板，以第二種方式工作驅(qū)動所述的電動機(jī)，所述的離合器嚙合。
此外，本發(fā)明提供一種將標(biāo)準(zhǔn)的踏板驅(qū)動公路車輛轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N電力輔助的公路車輛的配套組件。包括一個安裝在內(nèi)部設(shè)有一個蝸桿和一個與小輪固連的螺輪殼體上的電動機(jī)、一個可充電的并聯(lián)蓄電池、一個用于驅(qū)動器的包含有電路的盒子、兩個為了安裝電動機(jī)和所述殼體而設(shè)在底托架軸承上的凸耳、一個與超越離合器的內(nèi)軸承圈固連的踏板曲柄，和一個與超越離合器的外軸承圈固連的齒輪。
很明顯，本發(fā)明的驅(qū)動裝置只適用于具有一個簡單的，后輪轂空轉(zhuǎn)的踏板驅(qū)動公路車輛。無論何種情況，這后輪轂都可迅速地取代劣質(zhì)的飛輪制動輪轂。
本發(fā)明的構(gòu)思可以通過下表得到最好的理解，該表將騎車人所需要的能量作為騎車速度的函數(shù)與道路的坡度聯(lián)系起來。
表11000kg重量(騎車人+自行車)在不同坡度(°)上以不同的速度(KM/H)行駛所需要的能量(W)速度KM/H 3° 4° 5° 6° 7°5 75 98 122 140 1688 77 154 191 220 24010 98 196 244 280 34012 112231 288 330 40015 147294 365 420 500普通的騎車人在平坦的路段以15KM/H的速度行駛時要付出35-40W的能量。該騎車人可以加倍付出能量，達(dá)到70-80W，以8KM/H的速度在3°的小坡度路段上坡行駛20～25分鐘。但如表1所示，以8KM/H的速度在中等坡度5°的路段上坡行駛，則需要騎車者付出191W的能量，這意味著他還缺少110-120W的能量。該電力驅(qū)動裝置應(yīng)補(bǔ)償他所缺少的能量。
假如騎車人上5°的坡只付出40W的能量，他就可以比較輕松，驅(qū)動裝置將會補(bǔ)上150W的能量以便平衡。如果騎車人能夠或者愿意付出80W的能量，則驅(qū)動裝置將相應(yīng)提供110W。以此類推。
應(yīng)當(dāng)注意，騎車人所付出的能量和電池所提供的能量之間補(bǔ)償關(guān)系是作用在電動機(jī)上的負(fù)載的函數(shù)。
下面參照附圖結(jié)合最佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，以便對本發(fā)明完全地理解。
由于現(xiàn)在要具體參照附圖中的細(xì)節(jié)，故應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，所表示的特征只是通過舉例的方式對本發(fā)明的實(shí)施例作解釋性的討論，并且這樣表示是為了給出那些被認(rèn)為是最有用和容易描述本發(fā)明的原理和概念性的東西。從這個意義上講，所表示的特性并無意更具體地表明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而是對本發(fā)明作基本的必要的理解。結(jié)合附圖所作的描述使所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員了解到在實(shí)際中本發(fā)明的幾種形式是如何實(shí)施的。附圖中

圖1是一個裝有本發(fā)明的電力驅(qū)動裝置的自行車的總體視圖；圖2是該裝置的運(yùn)動圖，表明不同部件之間的連接關(guān)系；圖3是內(nèi)齒輪和超越離合器的部分剖視圖；圖4是該裝置安裝的示意圖；圖5是用于裝配本裝置的廠配凸耳；圖6是將本裝置用于自行組合的，裝配凸耳的變型；圖7是本發(fā)明裝置的電路圖；參照附圖，由圖1可見，一個裝配有發(fā)明的電力驅(qū)動裝置的自行車。安裝在底托架軸承之上的是一個電動機(jī)4，它的減速傳動裝置6安裝在殼體5內(nèi)，這一點(diǎn)從圖2可更清楚看到，該傳動裝置的輸出元件是一個小齒輪8，相對較大的齒輪10通過超越離合器14安裝在踏板曲柄13的軸12上，并與該小齒輪8相嚙合。這一點(diǎn)從圖2和圖3中可以更清楚地看到。還可以看到普通的鏈輪16和鏈條18。電池20最好裝在行李架22上，也可以懸掛在橫梁24下面，或裝在下管26上。電路裝在電路盒27內(nèi)。通過按下裝在車把上的按鈕28來操作該裝置。
從圖2可以看出，內(nèi)齒輪10裝在底托架軸承2的一側(cè)，而鏈輪16裝在它的另一側(cè)。
可以購買到的直流電動機(jī)在通常的工作電壓下，例如為12V時，其轉(zhuǎn)速為3000--5000RPM，如果在超電壓下工作，它們的轉(zhuǎn)速將更高。如果騎車人以40～60RPM的速度驅(qū)動踏板，則圖1中的電動機(jī)4必須以1∶80的比例被減速正如在圖2的運(yùn)動視圖中所看到的，減速是分兩步實(shí)施的，第一步是包含有安裝在電動機(jī)軸上，并與具有34個齒的蝸輪相嚙合的三頭蝸桿30的蝸桿傳動裝置。第二步是包含一個小齒輪8，該小齒輪構(gòu)成了第一步蝸桿傳動裝置的輸出元件。它具有12個齒，并與具有85個齒的內(nèi)齒輪10相嚙合，總減速比為3×1234×85≈180]]>蝸桿30的螺距角必須足夠大，以便使蝸桿傳動裝置具有可逆性，即不僅蝸桿30能驅(qū)動蝸輪32，而且后者也必須能夠驅(qū)動前者。這一點(diǎn)與一般的蝸輪不能驅(qū)動蝸桿的自鎖蝸桿傳動裝置不同。
由于內(nèi)齒輪10與小齒輪8的嚙合點(diǎn)以及它的工作而是向內(nèi)的，即遠(yuǎn)離騎車人的腿，所以除增加了該裝置的安全性外，還使之結(jié)構(gòu)緊湊。
如圖2、3所示，內(nèi)齒輪不是直接安裝在踏板軸12上，而是連固在超越離合器14的外軸承圈34上，而超越離合器的內(nèi)軸承圈36與踏板曲柄13固連，最好是焊接在常用的鍵槽固定方式與軸相連的踏板曲柄13的頂端。
該裝置的安裝可以從圖4結(jié)合圖5和6得到最好的理解。
有一對帶有孔40(見圖5、6)的凸耳38(從圖4中只能看到其中一個，而另一個位于殼體5的后面)。殼體5在孔40的中心距離處有兩個孔42，電動機(jī)4與之相連。殼體5內(nèi)還裝有蝸桿30、蝸輪32，并且小齒輪8從中伸出。殼體插在兩耳38之間，并借助于螺栓44夾緊。
本發(fā)明的裝置可作為一種新型踏板驅(qū)動車輛，如自行車的一個組裝件，也可以是買來的自行裝配的一配套組件。
如圖5所示，在第一種情況下，凸耳38制成為自行車架的一個組成部分，即以相對于車座和下管25、26(圖中沒有畫出)適當(dāng)?shù)奈恢煤徒嵌肉F焊，或焊接在底托架軸承2上。
在第二種情況下。凸耳38折成變彎角，并且有一個能滑套在軸承端部50的大孔48內(nèi)，并借助于螺母52緊壓在底托架軸承2的臂上。
為了進(jìn)一步穩(wěn)固殼體5的位置，又提供了一個叉形支撐臂46，它的叉形端借助于一個螺栓44夾緊在凸耳38上。支撐臂的另一端夾緊在鏈撐條48是。為方便起見，殼體5上的孔42至少稍微大一點(diǎn)以便于小齒輪8和內(nèi)齒輪10之間的嚙合和間隙的細(xì)微調(diào)整。
全套組件中遠(yuǎn)離電池20的其它元件包括電路盒27、電線、裝在殼體5上的電動機(jī)4、減速齒輪傳動裝置6和小齒輪8、踏板曲柄13，踏板曲軸的頂部釬焊或焊接有超越離合器的內(nèi)軸承圈36，而該離合器的外軸承圈34固連在與小齒輪8嚙合的內(nèi)齒輪10上。
當(dāng)組裝該組件時，首先要拆下踏板曲柄13和螺母52(見圖6)，并按照如所描述的那樣裝上凸耳38′。然后再裝上螺母52，便不要完全擰緊。下一步是，在兩耳38′之間安裝帶有電動機(jī)4及其減速齒輪傳動裝置6的外殼5。之后，將支撐臂46的叉形端滑套在凸耳38′上，并使支撐46上的孔、凸耳38′上的孔，殼體5上的孔對中后將螺栓44中的一個壓入這些裝配好的組件中。然后，再將支撐臂的后端連接到鏈撐48上。最后將螺母52和螺栓44擰緊，將鏈輪16的一側(cè)曲柄13連接到踏板軸12上，也就是將帶動內(nèi)齒輪10的踏板曲柄13連接到板軸12上。
圖7表示的是本發(fā)明的驅(qū)動裝置的電路，只有下部框線內(nèi)的電路與驅(qū)動本身有關(guān)。而上部電路是可選擇的，車燈可選擇由標(biāo)準(zhǔn)的直流電機(jī)驅(qū)動或由電池20驅(qū)動。
在第一種工作方式中，當(dāng)按下按鈕28時，繼電器54被激磁，并打開常閉觸點(diǎn)AB而關(guān)閉常觸點(diǎn)AC，這樣便通過分流器56閉合電機(jī)電路并開動輔助驅(qū)動。當(dāng)騎車人向后蹬踏板想以第二種方式操作電機(jī)，即使其作為發(fā)電機(jī)給電池20充電時，將按鈕28打開，所產(chǎn)生的電流通過分流器56，經(jīng)過下面的觸點(diǎn)AB到電池正極，從電池負(fù)極經(jīng)過上面的觸點(diǎn)AB流經(jīng)二極管58，返回電動機(jī)/發(fā)動機(jī)4。這個二極管是用來切斷按鈕28沒有按下時電池-電動機(jī)之間的電路。安培表和電壓表方便地安裝在車把上。
在上部選擇性的電路中?？梢钥吹揭粋€直流電機(jī)60，它通過變壓器62產(chǎn)生一個交變壓電供給自行車的前車燈F、后車燈R。該電壓的幅度與電池20相同。這樣當(dāng)使用相同照明燈泡的情況下，通過打開或關(guān)閉燈的開關(guān)64選擇利用電機(jī)或電池20。二極管66、68用來關(guān)閉開關(guān)64時阻止接地的變壓器線圈短路。它們同時也作為整流器用。
操作時，該驅(qū)動裝置的功能如下通常情況下，靠踏板驅(qū)動行駛，超越離合空轉(zhuǎn)，內(nèi)齒輪10靜止，。如在下坡路段時，當(dāng)騎車者用反向蹬踏板的方式，給電池20充電時，自行車后軸空轉(zhuǎn)，向后旋轉(zhuǎn)的超越離合器14的內(nèi)軸承圈36開始帶動它的外軸承圈連同內(nèi)齒輪10一同轉(zhuǎn)動，該內(nèi)齒輪10通過小齒輪8與和具有可逆性的蝸桿齒輪傳動裝置6驅(qū)動電動機(jī)4沿反向轉(zhuǎn)動，而使其進(jìn)入第二種工作方式，即使其變?yōu)橐粋€發(fā)電機(jī)。這樣即將騎車者的肌肉能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵爻潆姷碾娔堋．?dāng)然充電工作主要是在家中完成的，即在晚間利用插在電源上的普通充電器來充電。
人們發(fā)現(xiàn)，使用超電壓，即所施加的電壓比額定電壓高50％，在保持相同的功率輸出的情況下，通過小電流將顯著地增加系統(tǒng)的效率。由于電機(jī)中產(chǎn)生的熱量是流經(jīng)的電流值的平方的函數(shù)，所以很顯然即使是電流減小得很少，也會顯著地減少熱損耗，即提高效率。
對所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，本發(fā)明很顯然并不局限于如上所述實(shí)施例的細(xì)節(jié)，并且本發(fā)明可以以其它沒有脫離它的情神和基本特征的具體方式來實(shí)施。因此，從全面考慮上述實(shí)施例應(yīng)被理解為是說明性的而不是限定性的，本發(fā)明的范圍是通過權(quán)利要求而不是上述的描述來表明的。因此，所有沒有超出該權(quán)利要求的意義和等效范圍的變化都意味著屬于它所包含的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于踏板驅(qū)動公路車輛的電動輔助驅(qū)動裝置，包括一個電動機(jī)；一個可充電的并聯(lián)蓄電池，用以驅(qū)動所述的電動機(jī)；控制所述電動機(jī)的開關(guān)元件，當(dāng)所述的電動機(jī)選擇第一種方式操作即作為一個驅(qū)動器工作時，它從所述電池獲取能量，并傳遞給所述的車輛；當(dāng)以第二種方式工作時，即作為一個發(fā)電機(jī)，通過踏板從所述的公路車輛使用者獲取能量，并將其傳送給所述的電池；傳送裝置，在第一種方式工作時，該傳送裝置借助所述電動機(jī)驅(qū)動所述的車輛；而以第二種方式工作時，所述的使用者能將回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給所述的電動機(jī)；一個安裝在所述傳動裝置和所述踏板軸之間的超越離合器，當(dāng)所述的使用者向前蹬踏板驅(qū)動所述的車輛時，該超越離合器空轉(zhuǎn)；當(dāng)所述電動機(jī)處于第一種方式用來輔助所述的使用者，或者所述的使用者向后蹬踏板驅(qū)動所述的電動機(jī)，處于第二種工作方式時，該超越離合器嚙合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的超越離合器有一個外件和一個內(nèi)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的傳送裝置包括一個固連在所述的電動機(jī)軸上的蝸桿；一個與所述螺桿相嚙合的蝸輪；一個用鍵固定在所述的蝸輪軸上的小齒輪；和一個與所述小齒輪相嚙合并固定在所述的超越離合器外件上的齒輪，而超越離合器的內(nèi)件與所述的踏板軸活動連接。
4.根據(jù)權(quán)利要3所述的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的齒輪為一內(nèi)齒輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的電動機(jī)與一殼件固連，該殼體內(nèi)還裝有與連接在所述電動機(jī)軸上的蝸桿相嚙合的蝸輪。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的驅(qū)動裝置，其特征在于還包含有兩個彼此分開的、固連在所述踏板驅(qū)動公路車輛的底托架軸承上的凸耳，帶有所述電動機(jī)并裝有所述蝸輪的殼體固定安裝在兩個凸耳之間；在所述蝸輪同軸的小齒輪裝在所述兩凸耳之間時，與所述內(nèi)齒輪完全嚙合。
7.一種將標(biāo)準(zhǔn)的踏板驅(qū)動公路車輛轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐧?quán)利要求1所述的電力輔助公路車輛的配套組件，包括一個安裝在殼體上的電動機(jī)，該殼體內(nèi)裝有一個蝸桿和一個固連有小齒輪的蝸輪；一個可充電的并聯(lián)蓄電池；一個裝有所述驅(qū)動裝置的電路盒子；兩個可以裝在所述車輛車架一部件上的凸耳，用以安裝所述電動機(jī)所述殼體；一個踏板曲柄，其中固連有超載離合器的內(nèi)軸承圈，以及一個齒輪，該齒輪上固連有所述超越離合器的外軸承圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的配套組件，還包括一個叉形支撐臂，它的一端支撐著所述的殼體，其另一端夾緊在所述公路車輛的一個構(gòu)架上。
全文摘要
一種用于踏板驅(qū)動公路車輛的電力輔助驅(qū)動裝置，包括一個電動機(jī)，一個用于驅(qū)動該電動機(jī)的可充電的并聯(lián)蓄電池和控制電動機(jī)的開關(guān)元件。當(dāng)電動機(jī)選擇第一種工作方式，即作為一個驅(qū)動器工作時，它從電池中獲取能量并傳遞給車輛；而當(dāng)以第二種作為一個發(fā)動機(jī)工作時，則借助踏板從公路車輛的使用者獲得能量并傳送給電池。還包括一傳送裝置，以及一個安裝在傳送裝置和踏板軸之間的超越離合器。還提供一種將標(biāo)準(zhǔn)的踏板驅(qū)動公路車輛轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N電力輔助的公路車輛的配套組件。
文檔編號B60K25/06GK1120007SQ9411369
公開日1996年4月10日 申請日期1994年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月17日
發(fā)明者艾杜阿德·馬斯托夫, 耶禾凱魯·矛特納 申請人:普魯派爾兩合公司